Professor van Aston University (Engeland) Mikhail Sumetsky en onderzoeksingenieur van ITMO University (St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics) Nikita Toropov hebben een praktische en goedkope technologie ontwikkeld voor de productie van optische microholtes met een recordhoge nauwkeurigheid. Microresonatoren kunnen de basis worden voor het maken van kwantumcomputers, dit meldde het populairwetenschappelijke portaal "Cherdak" afgelopen vrijdag 22 juli met verwijzing naar de persdienst van ITMO.
De relevantie van werk op het gebied van het maken van kwantumcomputers is tegenwoordig te danken aan het feit dat een aantal zeer belangrijke problemen niet binnen een redelijke tijd kunnen worden opgelost met behulp van klassieke computers, waaronder supercomputers. We hebben het over de problemen van kwantumfysica en scheikunde, cryptografie, kernfysica. Wetenschappers voorspellen dat kwantumcomputers een belangrijk onderdeel zullen worden van de gedistribueerde computeromgeving van de toekomst. Het bouwen van een kwantumcomputer in de vorm van een echt fysiek object is een van de fundamentele problemen van de natuurkunde in de 21e eeuw.
Een studie door Russische wetenschappers over de productie van optische microholtes werd gepubliceerd in het tijdschrift Optics Letters. “De technologie vereist geen aanwezigheid van vacuüminstallaties, is bijna volledig vrij van processen die gepaard gaan met de behandeling van bijtende oplossingen, en is relatief goedkoop. Maar het belangrijkste is dat dit weer een stap is in de richting van het verbeteren van de kwaliteit van datatransmissie en -verwerking, het maken van quantumcomputers en ultragevoelige meetinstrumenten”, aldus een persbericht van ITMO University.
Een optische microcaviteit is een soort lichtval in de vorm van een zeer kleine, microscopisch kleine verdikking van een optische vezel. Aangezien fotonen niet kunnen worden gestopt, is het noodzakelijk om hun stroom op de een of andere manier te stoppen om informatie te coderen. Dit is precies waar ketens van optische microholtes voor worden gebruikt. Dankzij het "fluistergalerij"-effect vertraagt het signaal: als het in de resonator komt, wordt de lichtgolf gereflecteerd door de wanden en draait. Tegelijkertijd kan door de ronde vorm van de resonator het licht er gedurende lange tijd in worden gereflecteerd. Zo bewegen fotonen met een veel lagere snelheid van de ene resonator naar de andere.
Het lichtpad kan worden aangepast door de grootte en vorm van de resonator te veranderen. Rekening houdend met de grootte van de microholtes, die minder dan een tiende van een millimeter is, moeten veranderingen in de parameters van een dergelijk apparaat uiterst nauwkeurig zijn, aangezien elk defect aan het oppervlak van de microholte chaos in de fotonenstroom kan veroorzaken. "Als het licht lange tijd ronddraait, begint het met zichzelf te interfereren (conflict)", benadrukt Mikhail Sumetsky. - In het geval dat er een fout is gemaakt bij de productie van resonatoren, begint verwarring. Hieruit kun je de belangrijkste eis voor resonatoren halen: de minimale afwijking in maat."
Microresonatoren, die werden vervaardigd door wetenschappers uit Rusland en Groot-Brittannië, zijn met zo'n hoge precisie gemaakt dat het verschil in afmetingen niet groter is dan 0,17 angstrom. Om de schaal voor te stellen, merken we op dat deze waarde ongeveer 3 keer kleiner is dan de diameter van een waterstofatoom en onmiddellijk 100 keer minder dan de fout die tegenwoordig is toegestaan bij de productie van dergelijke resonatoren. Mikhail Sumetsky creëerde de SNAP-methode speciaal voor de productie van resonatoren. Volgens deze technologie gloeit de laser de vezel uit, waardoor de spanningen die erin bevroren zijn, worden verwijderd. Na blootstelling aan een laserstraal "zwelt" de vezel lichtjes op en ontstaat er een microholte. Onderzoekers uit Rusland en Engeland gaan door met het verbeteren van de SNAP-technologie en het uitbreiden van het scala aan mogelijke toepassingen.
Het werk aan microholtes in ons land is de afgelopen decennia niet gestopt. In het dorp Skolkovo bij Moskou, aan de Novayastraat, werd een huisnummer 100 gebouwd. Dit is een huis met spiegelwanden, die in hun blauw kunnen wedijveren met de lucht. Dit is het gebouw van de Skolkovo School of Management. Een van de huurders van dit bijzondere huis is het Russian Quantum Center (RQC).
Microholtes zijn tegenwoordig een redelijk actueel onderwerp in de kwantumoptica. Verschillende groepen over de hele wereld bestuderen ze voortdurend. Tegelijkertijd werden aanvankelijk optische microholtes uitgevonden in ons land aan de Staatsuniversiteit van Moskou. Het eerste artikel over dergelijke resonatoren werd in 1989 gepubliceerd. De auteurs van het artikel zijn drie natuurkundigen: Vladimir Braginsky, Vladimir Ilchenko en Mikhail Gorodetsky. Tegelijkertijd was Gorodetsky in die tijd een student en zijn leider Ilchenko verhuisde later naar de Verenigde Staten, waar hij begon te werken in het NASA-laboratorium. Daarentegen bleef Mikhail Gorodetsky aan de Staatsuniversiteit van Moskou en wijdde hij vele jaren aan het bestuderen van dit gebied. Hij trad relatief recent toe tot het RCC-team - in 2014 kan in de RCC zijn potentieel als wetenschapper vollediger worden onthuld. Hiervoor beschikt het centrum over alle apparatuur die nodig is voor experimenten, die gewoon niet beschikbaar is aan de Staatsuniversiteit van Moskou, evenals een team van specialisten. Een ander argument dat Gorodetsky in het voordeel van de RCC naar voren bracht, was de mogelijkheid om fatsoenlijke lonen aan werknemers te betalen.
Momenteel bestaat het team van Gorodetsky uit verschillende jongens die eerder onder zijn leiding wetenschappelijke activiteiten uitvoerden aan de Staatsuniversiteit van Moskou. Tegelijkertijd is het voor niemand een geheim dat het tegenwoordig niet gemakkelijk is om veelbelovende jonge wetenschappers in Rusland te behouden - de deuren van alle laboratoria over de hele wereld staan tegenwoordig voor hen open. En de RCC is een van de kansen om een briljante wetenschappelijke carrière te maken en een adequaat salaris te ontvangen, zonder de Russische Federatie te verlaten. Momenteel wordt in het laboratorium van Mikhail Gorodetsky onderzoek gedaan dat, met een gunstige ontwikkeling van de gebeurtenissen, de wereld kan veranderen.
Optische microholtes vormen de basis van een nieuwe technologie die de dichtheid van datatransmissie via glasvezelkanalen kan verhogen. En dit is slechts een van de mogelijke toepassingen van microholtes. Een van de RCC-laboratoria heeft de afgelopen jaren geleerd microresonatoren te maken, die nu al in het buitenland worden ingekocht. En Russische wetenschappers die eerder aan buitenlandse universiteiten werkten, keren zelfs terug naar Rusland om in dit laboratorium te werken.
Volgens de theorie zouden optische microholtes kunnen worden gebruikt in telecommunicatie, waar ze zouden helpen de datatransmissiedichtheid via glasvezelkabel te vergroten. Momenteel worden datapakketten al in een ander kleurbereik verzonden, maar als de ontvanger en zender gevoeliger zijn, wordt het mogelijk om één datalijn in nog meer frequentiekanalen te vertakken.
Maar dit is niet het enige toepassingsgebied. Ook kan men met behulp van optische microholtes niet alleen het licht van verre planeten meten, maar ook hun samenstelling bepalen. Ze kunnen het ook mogelijk maken om miniatuurdetectoren van bacteriën, virussen of bepaalde stoffen te maken - chemische sensoren en biosensoren. Mikhail Gorodetsky schetste zo'n futuristisch beeld van de wereld waarin microresonatoren al worden gebruikt: Met behulp van een compact apparaat op basis van optische microholtes zal het mogelijk zijn om de samenstelling te bepalen van de lucht die wordt uitgeademd door een persoon, die informatie bevat over de toestand van bijna alle organen in het menselijk lichaam. Dat wil zeggen, de snelheid en nauwkeurigheid van diagnostiek in de geneeskunde kan simpelweg vele malen groter worden.”
Tot nu toe zijn dit echter slechts theorieën die nog moeten worden getest. Er is nog een lange weg te gaan naar kant-en-klare apparaten op basis daarvan. Volgens Mikhail Gorodetsky moet zijn laboratorium echter, volgens het goedgekeurde plan, over een paar jaar precies uitvinden hoe microresonatoren in de praktijk kunnen worden gebruikt. Momenteel zijn de meest veelbelovende gebieden telecommunicatie en het leger. Microresonators kunnen inderdaad ook interessant zijn voor het Russische leger. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt bij de ontwikkeling en productie van radars, maar ook als stabiele signaalgeneratoren.
Tot nu toe is de massaproductie van microholtes niet vereist. Maar een aantal bedrijven in de wereld is al begonnen met het produceren van apparaten die ze gebruiken, dat wil zeggen, ze waren echt in staat om hun ontwikkelingen te commercialiseren. We hebben het echter nog steeds alleen over stukmachines die zijn ontworpen om een beperkt aantal taken op te lossen. Het Amerikaanse bedrijf OEWaves (waarin momenteel een van de uitvinders van microresonatoren, Vladimir Ilchenko, werkt), houdt zich bijvoorbeeld bezig met de productie van superstabiele microgolfgeneratoren, evenals met uitstekende lasers. De laser van het bedrijf, die licht produceert in een zeer smal bereik (tot 300 Hz) met een zeer lage fase- en frequentieruis, heeft al de prestigieuze PRIZM-prijs gewonnen. Zo'n prijs is praktisch een Oscar op het gebied van toegepaste optica, deze prijs wordt jaarlijks uitgereikt.
Op medisch gebied is de Zuid-Koreaanse bedrijvengroep Samsung samen met het Russische Quantum Center bezig met eigen ontwikkelingen op dit gebied. Volgens Kommersant bevonden deze werken zich in 2015 in de prille beginfase, dus het is te vroeg en voorbarig om iets te zeggen over uitvindingen die toepassing zouden hebben gevonden.
